인생의 수많은 부분이 어떻게 모여 졌습니까? 최소한 지구상의 첫 번째 생명체는 정보를 저장하고 복제하는 방법이 필요했습니다. 그래야만 그들은 자신의 사본을 만들고 전 세계에 퍼질 수있었습니다.
가장 영향력있는 가설 중 하나는 그것이 유전자 청사진을 기록하고 화학 반응을 유발할 수있는 분자 인 RNA로 시작되었다고 말합니다. “RNA 세계”가설은 여러 형태로 제공되지만, 가장 전통적인 것은 생명이 자체를 복제 할 수있는 RNA 분자의 형성으로 시작되었다고 주장한다. 그 후손들은 새로운 화합물 만들기 및 에너지 저장과 같은 다양한 작업을 수행하는 능력을 발전 시켰습니다. 시간이 지남에 따라 복잡한 삶이 뒤따 랐습니다.
그러나 과학자들은 실험실에서 자체 복제 RNA를 만드는 것이 놀랍게도 어렵다는 것을 알았습니다. 연구원들은 약간의 성공을 거두었지만 현재까지 제조 한 후보 분자는 특정 서열 또는 특정 길이의 RNA 만 복제 할 수 있습니다. 더욱
Georgia Institute of Technology의 화학자 인 Nick Hud와 그의 공동 작업자들은 생물학을 넘어 삶의 발전에서 화학의 역할을 바라보고 있습니다. 아마도 생물학이 생기기 전에, 프로토 라이프의 예비 단계가 있었는데, 화학 공정만으로도 RNA 또는 RNA- 유사 분자의 smorgasbord를 만들었다. Hud는“자체 복제자가 유지 시스템에 도달하기 전에 많은 단계가 있다고 생각합니다.
이 시나리오에서, 다양한 RNA- 유사 분자가 자발적으로 형성 될 수 있으며, 화학 풀이 생명에 필요한 많은 부분을 동시에 발명하는 데 도움이 될 수있다. 원시 분자 기기를 실험 한 프로토 라이프 형태는 부품을 공유합니다. 전체 시스템은 거대한 커뮤니티 스왑 대회처럼 작동했습니다. 이 시스템이 설립 된 후에 만 자체 복제 RNA가 등장 할 수 있습니다.
HUD의 제안의 중심에는 다양한 프로토 라이프를 생성하는 화학적 수단이 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 특정 화학 조건이 다양한 RNA 유사 분자 수집을 생성 할 수 있음을 보여줍니다. 그리고 팀은 현재 실험실의 실제 분자로 아이디어를 테스트하고 있습니다. 그들은 곧 결과를 게시하기를 희망합니다.
HUD의 그룹은 전통적인 RNA 세계 가설에 도전하고 화학적 진화보다는 생물학적에 대한 의존에 도전하는 많은 연구자들을위한 길을 이끌고 있습니다. 전통적인 모델에서, 새로운 분자 기계는 현대 세포에서와 같이 효소로 알려진 생물학적 촉매를 사용하여 만들어졌다. HUD의 프로토 라이프 단계에서, 무수한 RNA 또는 RNA- 유사 분자는 순전히 화학적 수단을 통해 형성되고 변화 될 수 있습니다. Hud는“화학 진화는 효소없이 삶을 시작하는 데 도움이되었을 수 있습니다.
HUD와 그의 공동 작업자들은이 아이디어를 한 단계 더 발전 시켰으며, 오늘날 모든 생물에서 발견되는 유일한 생물학적 기계 인 리보솜은 화학을 통해서만 나왔음을 시사합니다. 그것은 리보솜이 생물학에서 태어 났다고 생각하는 많은 사람들에게 비 전통적인 생각입니다.
HUD의 팀이 초기 지구에 존재했을 수있는 조건 하에서 프로토 라이프 형태를 만들 수 있다면, 화학 진화는 과학자들이 예상했던 것보다 삶의 기원에서 훨씬 더 중요한 역할을했을 수 있습니다. 오리건 주 포틀랜드 주립 대학의 생화학자인 Niles Lehman은“어쩌면 다윈의 진화에 앞서 더 간단한 형태의 진화가 있었을 것입니다.
다윈 전 세계
대부분의 사람들이 진화에 대해 생각할 때, 그들은 유기체가 제한된 자원을 위해 서로 경쟁하고 유전자 정보를 자손에게 전달하는 다윈의 진화에 대해 생각합니다. 각 세대는 유전 적 조정을 겪고 가장 성공적인 자손은 자신의 유전자를 따라 전달하기 위해 살아남습니다. 그 진화 방식은 오늘날의 삶을 지배합니다.
우리에게 현대의 생명 나무를 준 유명한 생물 학자 인 칼 우아 (Carl Woese)는 다윈의 시대가 매우 다른 진화 세력에 의해 지배되는 초기의 삶의 단계가 선행되었다고 믿었습니다. Woese는 개별 세포가 자발적으로 생명에 필요한 모든 것을 생각해내는 것이 거의 불가능했을 것이라고 생각했습니다. 그래서 그는 공동체 존재에 관여하는 풍부한 다양한 분자를 구상했다. 원시 세포는 서로 경쟁하기보다는 그들이 발명 한 분자 혁신을 공유했습니다. Darwinian Pool Pool은 함께 복잡한 삶에 필요한 구성 요소를 만들었습니다.
HUD의 모델은 WOESE의 전직 비전을 시간에 더욱 거슬러 올라가서 원시적 세포가 필요로하는 분자 다양성을 생성하기위한 화학적 수단을 제공합니다. 하나의 프로토 라이프 형태는 그 자체로 더 많은 빌딩 블록을 만들 수있는 방법을 개발했을 수도 있고, 다른 하나는 에너지를 수확하는 방법을 찾았을 수도 있습니다. 이 모델은 생물학적 진화보다는 화학 물질에 의존하는 전통적인 RNA 세계 가설과 다릅니다.
RNA 세계에 따르면, 최초의 RNA 분자는 RNA로 만들어진 리보 자임이라는 내장 효소를 사용하여 스스로 복제했다. HUD의 프로토 라이프 세계에서 그 작업은 순전히 화학적 수단을 통해 달성됩니다. 이 이야기는 RNA와 같은 분자의 화학 수프로 시작됩니다. 짧은 가닥이 자발적으로 형성 될 가능성이 높지만, 더 길고 더 복잡한 분자도 함께 모일 수 있기 때문에 대부분은 짧았을 것입니다. HUD의 모델은 더 긴 분자가 효소의 도움없이 어떻게 복제되었는지 설명합니다.
Prebiotic World에 대한 HUD의 비전에서 원시 RNA 수프는 두껍고 점성이있는 용액에서 정기적으로 가열 및 냉각주기를 겪었습니다. 열은 RNA의 결합 된 쌍을 분리하고, 점성 용액은 분리 된 분자를 잠시 동안 차별화시켰다. 그 중에서, 길이가 몇 글자 인 RNA의 작은 세그먼트는 각 긴 가닥에 붙어 있습니다. 작은 세그먼트는 결국 함께 꿰매어 원래의 긴 가닥과 일치하는 새로운 RNA 가닥을 형성했습니다. 그런 다음 사이클이 다시 시작되었습니다.
시간이 지남에 따라, 다양한 RNA- 유사 분자의 풀이 축적되었을 것이며, 그 중 일부는 신진 대사와 같은 간단한 기능을 할 수있다. 그리고 마찬가지로, 순전히 화학 반응은 Woese의 프로토 라이프 전 뿔을 만드는 데 필요한 분자 다양성을 생성했을 것입니다.
.HUD 팀은 생물학적 도구에 의지하지 않고는 짧은 세그먼트를 아직 붙일 수는 없지만 실험실에서 복제 과정의 첫 단계를 수행 할 수있었습니다. 그들이 그 장애물을 극복 할 수 있다면, 그들은 팝업되는 RNA를 복제하는 다재다능한 방법을 만들 것입니다.
.그러나 일부 과학자들은 화학적으로 매개 된 복제가 Darwinian 전 세계 HUD를 생산하기에 충분히 효과가있을 수 있다는 회의적입니다. 온타리오 주 해밀턴에있는 McMaster University의 생물 물리학자인 Paul Higgs는“내가 믿는지 여부는 모르겠다”고 말했다. "시퀀스를 전달하는 데 충분히 정확하고 빠르야합니다." - 즉, 템플릿 분자의 근처 사본을 만들기에 충분한 충실도가 부서지는 것보다 새로운 RNA를 더 빨리 생산해야합니다.
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David Kaplan, Petr Stepanek 및 Ryan Griffin의 Quanta 잡지; Kai Engel의 음악.
이론에서 : David Kaplan은 지구상의 생명의 기원에 대한 주요 이론을 탐구합니다.
그 자체로 화학적 변화는 생명의 출현을 유발하기에 충분하지 않았을 것입니다. 프로토 라이프 풀에는 유용한 분자가 성공하고 곱하기 위해 어떤 종류의 선택이 필요했을 것입니다. 그들의 모델에서 HUD의 팀은 매우 간단한 프로토 효소가 제작자와 더 큰 커뮤니티에 도움이된다면 퍼졌을 것이라고 제안합니다. 예를 들어, 자체 빌딩 블록을 더 많이 만든 RNA 분자는 복제를위한 추가 원자재를 제공함으로써 그 자체와 이웃에게 도움이 될 것입니다. HUD 팀이 수행 한 컴퓨터 시뮬레이션에서 이러한 유형의 분자는 실제로 뿌리를 내 렸습니다. Hud는“유용한 일을하는 시퀀스가 나오면 수영장에서 풍성해질 수있다”고 말했다.
리보솜 뿌리
우리의 유전자 코드의 중심에 위치한 고대 분자 기계 인 리보솜에서 볼 수있는 전 세계의 한 가지를 볼 수 있습니다. 그것은 유전자 정보를 인코딩하는 RNA를 단백질로 변환하는 효소입니다.
리보솜의 핵심은 RNA로 만들어집니다. 이 기능은 리보솜을 독특하게 만듭니다. 우리 세포의 대다수의 효소는 단백질로 만들어졌습니다. 리보솜 코어와 유전자 코드는 모든 생명체들 사이에서 공유되며, 아마도 삶의 진화 초기에 매우 일찍 존재했음을 시사합니다.
조지아 테크 (Georgia Tech)의 HUD와 그의 공동 작업자 인 Loren Williams는 화학적으로 지배적 인 세계에 대한 지원으로 리보솜을 지적합니다. 작년에 출판 된 논문에서 그들은 리보솜의 핵심이 화학적 진화를 통해 만들어 졌다는 논란의 여지가있는 제안을했다. 그들은 또한 첫 번째자가 복제 RNA 분자 이전에 일어났다 고 제안했다. 아마도 리보솜 코어는 화학 진화에서 성공적인 실험이라고 말했다. 그리고 그것이 다르 와이니아 전 수프에 뿌리를 내린 후, 그것은 다윈의 임계 값을 넘어서 모든 삶의 필수 부분이되었습니다.
.그들의 주장은 펩 티딜 트랜스퍼 라제 센터 (PTC)로 더 공식적으로 알려진 리보솜 코어의 상대적 단순성에 중점을 둡니다. PTC의 임무는 단백질의 빌딩 블록 인 아미노산을 모으는 것입니다. Lehman이 말한 것처럼“멋진 화학 트릭”을 사용하여 화학 반응 속도를 높이는 전통적인 효소와는 달리, 거의 탈수기처럼 작동합니다. 물 분자를 제거하여 단순히 2 개의 아미노산을 동축시킵니다. Lehman은“반응을 유발하는 것은 불쌍한 방법입니다. "단백질 효소는 일반적으로 더 강력한 화학 전략에 의존합니다."
Lehman은 단순성이 인생의 초기 단계에서 권력보다 우선했을 것이라고 지적했다. “삶의 기원에 대해 생각할 때 먼저 간단한 화학에 대해 생각해야합니다. 단순한 화학을 가진 모든 과정은 아마도 고대 일 것입니다.”라고 그는 말했습니다. "나는 그것이 모든 삶에서 그것이 [공유 된] 사실보다 더 강력한 증거라고 생각합니다."
.강력한 증거에도 불구하고 화학적 진화로 리보솜 코어가 어떻게 만들어 졌는지 상상하기는 여전히 어렵습니다. RNA 세계 가설의 복제기 RNA와 같이 더 많은 자체를 만드는 효소는 자동으로 피드백 루프를 생성하여 지속적으로 자체 생산을 강화합니다. 대조적으로, 리보솜 코어는 더 많은 리보솜 코어를 생성하지 않습니다. 그것은 아미노산의 임의의 사슬을 생성합니다. 이 과정이 어떻게 더 많은 리보솜의 생산을 장려 할 것인지는 확실하지 않습니다. "무작위 펩타이드를 만드는 이유는 무엇입니까?" iggs가 말했다.
HUD와 그의 공동 작업자들은 RNA와 단백질이 함께 진화했으며, 함께 일하는 방법을 알아 낸 사람들은 가장 잘 살아 남았다 고 제안합니다. 이 아이디어는 RNA 세계의 단순성이 부족하며, 이는 정보를 인코딩하고 화학 반응을 촉진 할 수있는 단일 분자를 제시합니다. 그러나 HUD는 시설이 삶의 출현시 우아함을 능가 할 수 있다고 제안합니다. "나는 우리가 단순함이라고 부르는 것에 대해 과도하게 강조되었다고 생각한다. 하나의 중합체는 2보다 간단하다"고 그는 말했다. “두 개의 폴리머가 함께 작동하면 특정 반응을 얻는 것이 더 쉽습니다. 아마도 폴리머가 처음부터 함께 일하는 것이 더 간단 할 수도 있습니다.”
